基于视觉—RTK的苹果园植保机器人自主导航研究_黄鹏飞.pdf

第 46 卷 第 6 期 V ol 46 N o 6 2025 年 6 月 Jun 2025 中 国 农 机 化 学 报 Journal of C hinese A gricultural M echanization D O I 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2025 06 028 黄 鹏 飞 薛 新 宇 崔 龙 飞 基 于 视 觉 R T K 的 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 研 究 J 中 国 农 机 化 学 报 2025 46 6 187 192 H uang P engfei X ue X inyu C ui L ongfei R esearch on autonom ous navigation of plant protection robot in apple orchard based on V ision R T K J Journal of C hinese A gricultural M echanization 2025 46 6 187 192 基 于 视 觉 R T K 的 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 研 究 黄 鹏 飞 1 2 薛 新 宇 1 崔 龙 飞 1 1 农 业 农 村 部 南 京 农 业 机 械 化 研 究 所 南 京 市 210014 2 中 国 农 业 科 学 院 研 究 生 院 北 京 市 100081 摘 要 针 对 标 准 化 的 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 种 植 模 式 的 特 点 设 计 一 种 基 于 视 觉 R T K 的 自 主 导 航 植 保 机 器 人 自 主 导 航 系 统 导 航 任 务 分 为 2 个 部 分 行 间 直 行 阶 段 应 用 U N et 语 义 分 割 网 络 提 取 边 缘 线 拟 合 出 导 航 线 控 制 行 间 植 保 机 器 人 的 航 向 行 头 行 尾 转 弯 阶 段 通 过 预 设 R T K 全 局 目 标 点 对 植 保 机 器 人 运 动 轨 迹 进 行 控 制 发 挥 组 合 导 航 的 优 势 结 果 表 明 基 于 R T K 全 局 规 划 的 平 均 横 向 偏 差 为 0 1 m 最 大 偏 差 为 0 3 m 而 基 于 视 觉 导 航 的 平 均 横 向 偏 差 为 0 5 m 最 大 偏 差 为 0 9 m 植 保 机 器 人 导 航 系 统 基 本 满 足 苹 果 园 自 动 导 航 任 务 的 要 求 具 有 一 定 的 可 行 性 关 键 词 植 保 机 器 人 果 园 导 航 路 径 规 划 语 义 分 割 苹 果 中 图 分 类 号 S 24 T P 29 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 5553 2025 06 0187 06 R e s e a r c h o n a u t o n o m o u s n a v ig a t io n o f p la n t p r o t e c t io n r o b o t in a p p le o r c h a r d b a s e d o n V is io n R T K H u a n g P e n g fe i 1 2 X u e X in y u 1 C u i L o n g fe i 1 1 N a n jin g I n s titu te o f A g r ic u ltu r a l M e c h a n iz a tio n M in is tr y o f A g r ic u ltu r e a n d R u r a l A ffa ir s N a n jin g 210014 C h in a 2 G r a d u a te S c h o o l o f C h in e s e A c a d e m y o f A g r ic u ltu r a l S c ie n c e s B e ijin g 100081 C h in a A b s t r a c t A im ing at the characteristics of standardized w ide row dw arfing and densely planted apple planting m ode an autonom ous navigation system for plant protection robot based on visual R T K w as designed in this paper T he navigation task w as divided into tw o parts as follow s in the straight line stage the edge lines extracted by U N et sem antic segm entation netw ork w ere used to fit the navigation lines for independent navigation betw een row s T he m otion trajectory of plant protection robot w as controlled by R T K positioning point in the turning stage of the row head and tail and the advantages of integrated navigation w ere exerted respectively T he results show ed that the average lateral deviation of the global planning based on R T K w as 0 1 m and the m axim um deviation w as 0 3 m w hile the average lateral deviation of the visual navigation w as 0 5 m and the m axim um deviation w as 0 9 m T he plant protection robot navigation system basically m et the requirem ents of the autom atic navigation task of the apple orchard and had certain feasibility K e y w o r d s plant protection robot orchard navigation path planning sem antic segm entation apple 0 引 言 随 着 科 技 的 发 展 机 器 人 已 被 广 泛 应 用 于 农 业 生 产 自 主 导 航 技 术 作 为 机 器 人 的 关 键 技 术 一 直 是 国 内 外 学 者 关 注 的 焦 点 机 器 人 通 过 传 感 器 对 周 围 环 境 进 行 感 知 1 通 过 控 制 决 策 算 法 实 现 精 准 定 位 路 径 规 划 等 功 能 在 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 中 由 于 苹 果 树 冠 层 的 遮 挡 和 多 路 径 效 应 干 扰 R T K G N S S 定 位 信 号 接 收 的 精 度 不 佳 2 在 苹 果 园 行 间 定 位 信 息 不 准 确 视 觉 导 航 系 统 在 苹 果 园 环 境 中 面 临 的 图 像 背 景 复 杂 干 扰 因 素 多 等 问 题 特 别 在 果 园 行 头 行 尾 处 受 到 光 照 阴 影 相 机 抖 动 等 环 境 因 素 影 响 较 大 3 影 响 视 觉 导 航 收 稿 日 期 2024 年 5 月 17 日 修 回 日 期 2024 年 6 月 6 日 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 青 年 科 学 家 项 目 2022Y F D 2000700 第 一 作 者 黄 鹏 飞 男 1997 年 生 江 西 宜 春 人 硕 士 研 究 生 研 究 方 向 为 农 业 装 备 工 程 技 术 E m ail 770351230 qq com 通 讯 作 者 薛 新 宇 女 1969 年 生 江 苏 苏 州 人 博 士 研 究 员 研 究 方 向 为 植 保 机 械 与 施 药 工 程 技 术 E m ail 735178312 qq com 中 国 农 机 化 学 报 2025 年 的 准 确 性 目 前 国 内 外 关 于 果 园 植 保 机 器 人 的 自 主 导 航 研 究 取 得 了 许 多 成 果 赖 汉 荣 等 4 提 出 一 种 基 于 视 觉 的 感 兴 趣 区 域 的 导 航 线 提 取 方 法 改 进 动 态 R O I 区 域 划 分 算 法 以 实 现 导 航 线 的 更 新 周 俊 等 5 将 利 用 视 觉 检 测 并 获 取 障 碍 物 的 方 向 和 距 离 信 息 基 于 模 糊 逻 辑 对 障 碍 物 方 向 和 距 离 进 行 处 理 得 到 导 航 路 径 并 进 行 验 证 李 会 宾 等 6 采 用 拓 展 卡 尔 曼 滤 波 算 法 优 化 三 维 激 光 雷 达 点 云 数 据 结 合 差 速 模 型 和 纯 跟 踪 算 法 实 现 自 主 行 间 导 航 M alavazi 等 7 利 用 深 度 信 息 开 发 自 主 导 航 系 统 采 用 异 常 值 惩 罚 模 型 消 除 等 方 法 改 进 检 测 障 碍 物 并 提 取 导 航 线 M ostafa 等 8 采 用 均 值 漂 移 算 法 对 图 像 进 行 聚 类 划 分 为 3 部 分 利 用 大 地 类 数 据 进 行 霍 夫 变 换 来 提 取 导 航 路 径 S halal 等 9 提 出 一 种 基 于 相 机 和 激 光 雷 达 融 合 的 树 干 检 测 算 法 以 实 现 机 器 人 的 行 间 导 航 算 法 通 过 检 测 并 区 分 树 木 和 非 树 木 目 标 提 取 导 航 路 径 韩 振 浩 等 10 使 用 U N et 语 义 分 割 获 取 不 同 光 照 条 件 的 果 园 道 路 对 生 成 的 路 径 进 行 多 段 拟 合 输 出 果 园 导 航 路 径 肖 珂 等 11 基 于 M ask R C N N 对 道 路 与 树 干 进 行 识 别 提 取 道 路 和 树 干 坐 标 采 用 改 进 R A N S A C 算 法 提 取 前 排 树 行 线 筛 选 后 排 树 干 坐 标 点 拟 合 生 成 后 排 树 行 线 通 过 分 析 前 后 排 树 行 信 息 判 断 掉 头 方 向 彭 顺 正 等 12 针 对 矮 化 密 植 种 植 环 境 提 出 行 阈 值 分 割 和 行 间 区 域 方 法 将 目 标 和 背 景 分 离 并 拟 合 道 路 左 右 两 侧 边 缘 提 取 几 何 中 心 点 生 成 导 航 基 准 线 综 上 所 述 当 前 的 研 究 通 常 基 于 果 树 干 树 冠 层 果 园 地 面 获 取 行 间 导 航 信 息 但 是 果 园 行 间 环 境 复 杂 特 征 信 息 提 取 难 度 大 果 园 行 间 导 航 精 度 不 足 控 制 决 策 算 法 的 复 杂 度 高 在 实 际 作 业 中 需 要 较 好 的 硬 件 支 持 无 法 满 足 果 园 导 航 的 实 时 性 需 求 经 过 对 国 内 外 植 保 机 器 人 自 主 导 航 关 键 技 术 的 现 状 分 析 针 对 苹 果 园 特 点 设 计 一 种 基 于 视 觉 R T K 的 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 系 统 通 过 R T K 实 现 苹 果 园 行 头 行 尾 的 全 局 规 划 通 过 视 觉 实 现 果 园 行 间 的 局 部 规 划 从 而 实 现 苹 果 园 植 保 机 器 人 在 果 园 行 间 的 航 向 控 制 并 能 够 在 行 尾 和 地 头 处 进 行 转 弯 1 苹 果 园 植 保 机 器 人 导 航 系 统 设 计 通 过 对 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 进 行 调 研 实 际 苹 果 园 测 得 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 中 果 树 的 株 距 为 1 5 2 0 m 行 距 为 3 5 5 0 m 如 图 1 所 示 苹 果 园 植 保 机 器 人 采 用 履 带 底 盘 履 带 底 盘 的 上 方 安 装 固 定 导 航 控 制 柜 和 传 感 器 支 架 导 航 控 制 柜 主 要 用 于 集 中 安 装 并 实 现 隔 离 供 电 为 各 模 块 提 供 安 全 防 护 传 感 器 支 架 安 装 在 导 航 控 制 柜 上 方 安 装 部 署 感 知 模 组 便 于 根 据 实 地 苹 果 园 场 景 调 节 传 感 器 的 安 装 高 度 和 角 度 便 于 收 集 信 息 图 1 植 保 机 器 人 整 体 构 成 示 意 图 F ig 1 O verall diagram of plant protection robot 1 工 业 控 制 计 算 机 2 IM U 模 块 3 图 像 处 理 模 块 4 司 南 导 航 模 块 5 4G 工 业 路 由 器 6 电 源 模 组 7 双 目 相 机 8 传 感 器 支 架 9 R T K 从 天 线 10 履 带 底 盘 遥 控 器 11 履 带 底 盘 12 R T K 主 天 线 如 图 2 所 示 苹 果 园 植 保 机 器 人 的 导 航 系 统 由 感 知 模 组 决 策 模 组 执 行 模 组 交 互 模 组 电 源 模 组 5 个 部 分 构 成 其 中 交 互 模 组 为 操 作 人 员 了 解 植 保 机 器 人 的 实 时 运 行 情 况 电 源 模 组 为 各 个 模 组 提 供 独 立 的 电 源 供 应 图 2 苹 果 园 植 保 机 器 人 导 航 模 组 功 能 框 图 F ig 2 F unctional block diagram of self leading aircraft m odule of plant protection robot 苹 果 园 植 保 机 器 人 主 要 模 组 为 感 知 模 组 决 策 模 组 执 行 模 组 感 知 模 组 包 括 视 觉 传 感 器 和 R T K 模 块 在 苹 果 园 植 保 机 器 人 行 进 的 过 程 中 采 集 果 园 的 图 像 信 息 和 R T K 信 息 决 策 模 组 包 括 工 业 计 算 机 和 图 像 处 理 模 块 系 统 为 U buntu 18 04 L S T 由 4G 工 业 路 由 器 连 接 各 个 模 组 并 进 行 相 互 通 信 决 策 模 组 实 时 控 制 植 保 机 器 人 的 运 动 状 态 以 及 导 航 策 略 的 切 换 执 行 模 组 控 制 相 关 执 行 器 和 伺 服 控 制 器 调 整 植 保 机 器 人 履 带 底 盘 运 行 状 态 2 苹 果 园 环 境 感 知 与 场 景 解 析 2 1 苹 果 园 数 据 采 集 和 构 建 数 据 集 苹 果 园 数 据 采 集 的 主 要 地 点 为 山 东 省 烟 台 市 大 户 苹 果 园 江 苏 省 南 京 市 六 合 金 牛 湖 苹 果 园 采 集 时 期 为 188 第 6 期 黄 鹏 飞 等 基 于 视 觉 R T K 的 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 研 究 2022 年 8 月 2023 年 10 月 采 集 不 同 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 的 行 间 图 像 数 据 通 过 多 维 度 监 测 苹 果 树 全 生 育 期 及 果 园 内 果 树 形 态 特 征 系 统 记 录 不 同 光 照 条 件 下 的 生 长 状 态 并 开 展 图 像 采 集 工 作 13 满 足 语 义 分 割 网 络 的 特 征 提 取 训 练 需 求 试 验 机 具 为 植 保 机 器 人 工 控 机 U buntu 18 04 L S T 系 统 i7 12700H 内 存 16 G B 固 态 硬 盘 2 T B 英 特 尔 R ealS ense D 435i R ealS ense D 455 双 目 相 机 IM U 模 块 R T K 模 块 数 据 采 集 时 通 过 手 动 控 制 植 保 机 器 人 行 驶 在 苹 果 园 行 间 启 动 固 定 在 植 保 机 器 人 传 感 器 支 架 上 的 双 目 相 机 IM U 模 块 R T K 模 块 调 试 后 录 制 数 据 包 从 收 集 苹 果 园 行 间 的 30 000 张 图 片 中 筛 选 并 分 类 选 取 800 张 图 片 位 深 24 位 分 辨 率 1 280 像 素 720 像 素 进 行 数 据 集 制 作 采 用 L abelm e 工 具 对 图 片 进 行 语 义 标 注 根 据 研 究 目 标 将 语 义 标 签 分 为 5 个 类 别 B ackground 背 景 R oad 苹 果 园 路 面 S ky 天 空 S teel 苹 果 树 干 T runk 钢 杆 为 防 止 训 练 过 程 出 现 过 拟 合 同 时 扩 充 训 练 集 样 本 通 过 调 用 Im ageA ug 库 对 训 练 集 图 片 进 行 几 何 变 换 亮 度 和 饱 和 度 变 换 高 斯 模 糊 等 数 据 增 强 手 段 14 使 得 图 像 数 据 样 本 更 加 丰 富 和 均 匀 有 效 增 强 模 型 鲁 棒 性 2 2 模 型 训 练 结 果 和 预 测 效 果 根 据 苹 果 园 语 义 分 割 的 实 时 性 和 准 确 性 要 求 采 用 U N et 语 义 分 割 网 络 框 架 并 使 用 V G G 16 的 预 训 练 模 型 权 重 选 择 R estN et 作 为 主 干 网 络 进 行 模 型 训 练 对 于 构 建 的 数 据 集 随 机 地 将 90 的 图 像 划 分 为 训 练 集 5 划 分 为 验 证 集 剩 余 的 5 作 为 测 试 集 U N et 语 义 分 割 模 型 的 训 练 参 数 如 表 1 所 示 表 1 模 型 训 练 参 数 T ab 1 M odel training param eter 训 练 参 数 批 大 小 权 重 衰 减 数 值 8 0 000 5 训 练 参 数 初 始 学 习 率 迭 代 次 数 数 值 0 01 500 为 评 估 U N et 语 义 分 割 模 型 的 训 练 效 果 本 研 究 选 择 平 均 交 并 比 m I o U 作 为 评 价 指 标 通 过 计 算 m I o U 对 模 型 在 各 个 类 别 上 的 训 练 结 果 进 行 量 化 评 估 如 图 3 所 示 m I o U 1 k 1 i 0 k p ii j 0 k p ij j 0 k p ji p ii 1 式 中 k 标 签 类 别 取 5 p ij 真 实 值 为 i 预 测 为 j 类 别 的 数 量 p ii 被 正 确 分 类 的 类 别 数 量 p ji 真 实 值 为 j 预 测 为 i 类 别 的 数 量 图 3 U N e t 语 义 分 割 模 型 m I o U 平 均 交 并 比 F ig 3 U N et sem antic segm entation m odel m I o U intersection 如 图 4 所 示 U N et 语 义 分 割 模 型 能 够 清 晰 分 割 出 果 园 中 的 道 路 和 果 树 区 域 苹 果 园 路 面 的 识 别 率 约 为 95 苹 果 园 天 空 的 识 别 率 约 为 90 表 现 出 较 好 的 语 义 分 割 性 能 使 用 高 准 确 率 的 B ackground R oad S ky 作 为 导 航 线 提 取 的 语 义 信 息 在 语 义 分 割 的 模 型 评 价 指 标 中 S teel 和 T runk 的 语 义 分 割 评 估 指 标 m I o U 较 低 主 要 原 因 1 目 标 边 缘 信 息 提 取 不 足 U N et 的 编 码 器 encoder 逐 步 降 采 样 输 入 图 像 易 捕 获 多 尺 度 的 层 次 特 征 S teel 和 T runk 的 边 缘 信 息 不 明 显 U N et 无 法 有 效 提 取 这 些 细 节 10 2 训 练 集 标 注 不 准 确 标 注 过 程 中 S teel 和 T runk 是 小 目 标 标 注 过 程 困 难 和 标 注 结 果 不 准 确 训 练 出 来 的 模 型 出 现 误 差 15 从 而 影 响 分 割 效 果 3 环 境 中 的 影 响 在 实 际 环 境 中 的 环 境 光 照 震 动 因 素 干 扰 分 割 任 务 16 a 苹 果 园 行 间 语 义 分 割 b 苹 果 园 行 头 语 义 分 割 图 4 苹 果 园 的 语 义 分 割 预 测 F ig 4 S em antic segm entation prediction of apple orchard 在 苹 果 园 的 语 义 分 割 预 测 图 中 R oad 苹 果 园 路 面 S ky 天 空 要 素 分 割 效 果 较 好 S teel 苹 果 树 干 T runk 钢 杆 要 素 分 割 出 现 较 为 明 显 错 误 后 续 的 任 务 中 不 使 用 S teel 和 T runk 这 2 类 分 割 精 度 较 低 的 语 义 信 息 2 3 基 于 边 缘 检 测 的 导 航 线 提 取 如 图 5 b 所 示 通 过 语 义 分 割 对 苹 果 园 行 间 图 像 提 取 语 义 信 息 B ackground 为 黑 色 区 域 R oad 为 灰 色 区 域 S ky 为 白 色 区 域 如 图 5 c 所 示 选 取 3 个 类 型 中 的 最 大 连 通 区 域 的 边 缘 线 段 即 黑 色 区 域 与 白 色 区 域 的 边 缘 线 黑 色 区 域 与 灰 色 区 域 的 边 缘 线 随 后 调 用 高 斯 滤 波 器 对 提 取 的 边 缘 线 段 进 行 平 滑 去 噪 后 如 图 5 d 所 示 整 个 道 路 天 空 要 素 清 晰 背 景 要 素 消 除 了 干 扰 调 动 N um py 库 的 N inspace 从 图 5 d 的 边 缘 线 中 均 匀 提 取 坐 标 点 然 后 通 过 最 小 二 乘 法 拟 合 这 些 坐 标 点 以 生 成 连 续 的 导 航 线 图 6 a 为 植 保 机 器 人 在 苹 果 园 中 通 过 双 目 相 机 189 中 国 农 机 化 学 报 2025 年 获 取 的 当 前 视 频 帧 画 面 平 均 帧 数 为 60 f s 图 6 b 为 通 过 U N et 语 义 分 割 网 络 对 画 面 进 行 语 义 分 割 平 均 帧 数 为 12 f s 图 6 c 为 应 用 语 义 分 割 网 络 提 取 图 片 信 息 的 边 缘 线 拟 合 出 导 航 线 平 均 帧 数 为 5 f s 在 图 6 视 频 画 面 中 3 个 窗 口 的 视 频 帧 有 一 定 程 度 延 迟 画 面 不 一 致 的 情 形 a 苹 果 园 行 间 图 像 c 选 取 连 通 区 域 并 平 滑 去 噪 b 行 间 图 像 语 义 信 息 提 取 d 优 化 后 的 语 义 分 割 图 像 图 5 苹 果 园 行 间 图 像 的 语 义 分 割 处 理 F ig 5 S em antic segm entation of interline im age of apple orchard a 采 集 苹 果 园 行 间 图 像 c 边 缘 线 拟 合 出 导 航 线 b 果 园 行 间 图 像 语 义 分 割 图 6 基 于 语 义 信 息 的 边 缘 线 提 取 示 意 图 F ig 6 E dge line extraction diagram based on sem antic inform ation 3 果 园 全 局 与 局 部 路 径 规 划 的 方 法 研 究 全 局 规 划 通 常 是 作 为 事 前 规 划 在 已 知 环 境 中 规 划 路 径 其 规 划 精 度 取 决 于 环 境 获 取 的 准 确 度 全 局 规 划 可 以 找 到 最 优 解 然 而 当 环 境 发 生 变 化 且 地 图 未 及 时 更 新 时 该 方 法 效 果 一 般 不 能 达 到 预 期 效 果 17 因 此 在 动 态 环 境 中 需 要 结 合 局 部 规 划 和 全 局 规 划 来 实 现 更 加 灵 活 和 可 靠 的 路 径 18 采 用 视 觉 R T K 组 合 导 航 避 免 在 苹 果 园 行 内 R T K 定 位 信 号 遮 挡 导 致 的 定 位 误 差 问 题 苹 果 园 行 头 行 尾 光 线 直 射 和 抖 动 等 因 素 导 致 语 义 分 割 模 型 失 效 致 使 植 保 机 器 人 无 法 获 得 实 时 的 航 线 修 正 信 息 的 缺 陷 如 图 7 所 示 针 对 标 准 宽 行 矮 化 苹 果 园 的 特 点 采 用 视 觉 R T K 组 合 进 行 导 航 将 导 航 过 程 分 为 2 个 阶 段 行 间 直 行 阶 段 应 用 U N et 语 义 分 割 网 络 提 取 的 边 缘 线 拟 合 出 导 航 线 通 过 判 断 导 航 线 与 果 园 行 间 中 心 线 的 偏 航 状 态 对 植 保 机 器 人 的 航 向 进 行 调 整 实 现 苹 果 园 行 间 的 自 主 导 航 行 头 行 尾 转 弯 阶 段 获 取 当 前 植 保 机 器 人 R T K 数 据 当 前 R T K 解 为 高 精 度 的 固 定 解 且 与 预 设 的 R T K 全 局 目 标 点 在 设 定 的 阈 值 范 围 内 时 19 判 断 植 保 机 器 人 处 于 行 头 行 尾 系 统 切 换 转 弯 策 略 将 预 设 的 R T K 全 局 目 标 点 设 置 为 植 保 机 器 人 的 目 标 跟 踪 点 当 植 保 机 器 人 无 法 判 断 自 身 情 况 时 其 会 关 闭 底 盘 驱 动 器 停 止 运 动 请 求 人 工 干 预 图 7 路 径 规 划 程 序 流 程 F ig 7 F low chart of the path planning procedure 如 图 8 所 示 点 0 1 2 3 4 5 6 为 已 通 过 的 预 设 R T K 全 局 目 标 点 点 7 8 9 为 未 通 过 的 预 设 R T K 全 局 目 标 点 预 设 R T K 全 局 目 标 点 按 弓 字 形 的 路 径 顺 序 录 入 系 统 文 件 中 确 保 植 保 机 器 人 按 照 顺 序 经 过 这 些 全 局 目 标 点 在 行 头 行 尾 的 转 弯 阶 段 获 取 当 前 植 保 机 器 人 R T K 定 位 数 据 R T K 有 几 种 不 同 的 解 状 态 固 定 解 是 最 准 确 的 定 位 结 果 而 浮 点 解 和 单 点 解 的 精 度 相 对 较 低 无 效 解 表 示 无 法 获 得 可 用 的 定 位 结 果 当 前 R T K 解 为 高 精 度 的 固 定 解 且 与 预 设 的 R T K 全 局 目 标 点 在 设 定 的 阈 值 范 围 内 时 判 断 植 保 机 器 人 处 于 行 头 行 尾 系 统 切 换 转 弯 策 略 距 离 阈 值 设 置 为 3 m 图 8 果 园 路 径 规 划 示 意 图 F ig 8 S chem atic diagram of orchard path planning 如 图 8 所 示 的 直 线 路 径 点 6 点 7 的 路 径 为 植 保 机 器 人 正 在 进 行 的 基 于 视 觉 局 部 规 划 的 路 径 在 行 间 直 行 阶 段 应 用 U N et 语 义 分 割 网 络 提 取 的 边 缘 线 拟 190 第 6 期 黄 鹏 飞 等 基 于 视 觉 R T K 的 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 研 究 合 出 导 航 线 通 过 判 断 导 航 线 与 果 园 行 间 中 心 线 的 偏 航 状 态 对 植 保 机 器 人 的 航 向 进 行 调 整 实 现 苹 果 园 行 间 的 自 主 导 航 若 果 园 植 保 机 器 人 行 驶 到 最 后 一 个 R T K 全 局 目 标 点 即 点 10 为 终 止 点 则 导 航 结 束 4 试 验 结 果 及 分 析 为 验 证 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 动 导 航 系 统 的 性 能 和 精 度 进 行 苹 果 园 弓 字 形 路 径 规 划 轨 迹 试 验 此 试 验 旨 在 评 估 机 器 人 在 果 园 复 杂 环 境 中 的 导 航 能 力 并 对 试 验 结 果 及 误 差 进 行 分 析 试 验 选 定 山 东 省 烟 台 大 户 苹 果 园 121 842 E 37 436 N 如 图 9 a 所 示 该 果 园 位 于 山 地 地 形 上 布 局 相 对 统 一 试 验 中 使 用 R T K 模 块 标 记 需 要 进 行 植 保 作 业 的 区 域 并 明 确 定 义 了 作 业 的 起 始 点 和 终 点 试 验 路 径 分 为 行 间 直 行 阶 段 和 行 头 行 尾 转 弯 阶 段 如 图 9 b 所 示 路 径 规 划 旨 在 确 保 机 器 人 有 效 覆 盖 果 园 内 的 果 树 行 同 时 保 持 路 径 的 连 续 性 和 平 滑 性 使 机 器 人 能 够 在 果 树 行 之 间 来 回 穿 梭 a 植 保 机 器 人 果 园 自 主 导 航 试 验 图 b 路 径 轨 迹 示 意 图 图 9 苹 果 园 弓 字 形 路 径 规 划 轨 迹 示 意 图 F ig 9 S chem atic diagram of the path planning trajectory of the orchard bow shape 1 收 集 实 际 数 据 首 先 收 集 苹 果 园 的 实 际 地 形 和 布 局 数 据 包 括 果 树 位 置 行 间 距 离 树 与 树 的 间 隙 园 区 边 界 等 信 息 对 收 集 到 的 数 据 进 行 分 析 了 解 果 园 的 布 局 特 点 例 如 是 否 存 在 不 规 则 形 状 的 果 树 行 行 间 距 是 否 均 匀 以 及 路 径 上 是 否 有 遮 挡 物 等 情 况 2 制 定 路 径 规 划 策 略 基 本 航 线 是 由 无 人 机 航 拍 的 底 图 根 据 树 影 进 行 航 空 规 划 如 图 8 所 示 确 定 合 适 的 起 始 点 终 点 和 转 折 点 考 虑 果 树 的 排 列 方 式 和 行 间 距 离 避 开 障 碍 物 等 因 素 3 实 地 验 证 和 调 整 在 实 际 果 园 环 境 中 进 行 路 径 规 划 轨 迹 的 实 地 验 证 规 划 的 轨 迹 是 否 符 合 预 期 是 否 避 开 了 障 碍 物 和 避 免 碰 撞 果 树 根 据 验 证 结 果 对 参 数 进 行 调 整 和 优 化 4 如 图 10 所 示 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 的 实 地 测 量 数 据 显 示 果 树 行 的 行 长 为 60 m 苹 果 树 株 距 为 1 5 2 0 m 行 距 为 3 5 5 0 m 该 规 划 将 导 航 过 程 分 为 两 个 阶 段 苹 果 园 的 行 头 和 行 尾 转 弯 阶 段 的 运 动 轨 迹 以 倾 斜 线 段 表 示 行 间 直 行 阶 段 的 运 动 轨 迹 则 用 横 向 线 段 表 示 图 1 0 苹 果 园 弓 字 形 植 保 机 器 人 预 定 轨 迹 和 运 行 轨 迹 F ig 10 P redeterm ined trajectory and running trajectory of orchard bow shaped plant protection robot 在 标 准 宽 行 矮 化 密 植 苹 果 园 弓 字 形 自 主 导 航 试 验 中 进 行 初 步 的 实 地 测 试 试 验 中 植 保 机 器 人 的 行 驶 速 度 设 定 为 1 0 m s 同 时 利 用 IM U 记 录 车 辆 的 运 行 状 态 通 过 设 定 机 器 人 的 预 定 路 径 并 在 实 地 运 行 中 提 取 实 际 路 径 进 行 预 定 路 径 与 实 际 路 径 的 对 比 分 析 在 植 保 机 器 人 运 行 过 程 中 通 过 每 秒 一 次 取 样 对 比 预 定 路 径 和 实 际 提 取 路 径 的 横 向 误 差 以 计 算 和 评 估 导 航 精 度 利 用 IM U 测 量 植 保 机 器 人 的 横 向 实 际 导 航 误 差 即 机 器 人 实 际 行 驶 路 径 与 预 定 路 径 之 间 的 偏 差 如 图 11 所 示 试 验 中 设 定 植 保 机 器 人 以 1 0 m s 的 速 度 进 行 导 航 基 于 U N et 的 视 觉 导 航 试 验 中 平 均 横 向 偏 差 为 0 5 m 最 大 偏 差 达 到 0 9 m 而 基 于 R T K 的 全 局 规 划 试 验 中 平 均 横 向 偏 差 仅 为 0 1 m 最 大 偏 差 为 0 3 m 图 1 1 苹 果 园 植 保 机 器 人 自 主 导 航 试 验 的 横 向 误 差 F ig 11 L ateral error diagram of autonom ous navigation experim ent of plant protection robot in apple orchard 5 结 论 1 当 前 苹 果 园 自 主 导 航 研 究 国 内 外 主 流 研 究 通 常 基 于 果 树 干 树 冠 层 果 园 地 面 获 取 行 间 导 航 信 息 但 是 果 园 行 间 环 境 复 杂 特 征 信 息 提 取 难 度 大 果 园 行 间 导 航 精 度 不 足 控 制 决 策 算 法 的 复 杂 度 高 采 用 视 觉 R T K 组 合 导 航 的 方 式 导 航 任 务 分 为 2 个 部 分 行 间 直 行 阶 段 应 用 U N et 语 义 分 割 网 络 提 取 的 边 缘 线 拟 合 出 导 航 线 进 行 行 间 的 自 主 导 航 行 头 行 尾 转 弯 阶 段 通 过 R T K 全 局 定 位 点 对 植 保 机 器 人 运 动 轨 迹 进 行 控 制